Killoser

  • 695 主题
  • 730 帖子
  • 6990 积分
  • 身份:LV6 初级工程师
  • 论坛新秀 灌水之王
  • E币:3148

RS485方向切换方案有哪些?哪种更好?

2020-8-14 17:52:40 显示全部楼层
来源:创易栈,排版整理:晓宇
微信公众号:芯片之家(ID:chiphome-dy)
RS485作为常见的总线之一,几乎每个工控设备都在用,我们也对其熟悉不过了。我们都知道RS485双半双工通信,其CPU内部的根源是串口通信,串口通信是区分发送TX和接收RX的,在同一对差分信号线上同时传输TX、RX,就是进行方向的控制,方向的控制时机不对,数据传送是要出问题的。
例如下图1、图2中,CPU端的TX信号发送完毕后约100uS后方向引脚 拉低,切换到接收状态,但是在TX信号发送完毕后60uS从机就回复了的RX信号,由于此时还是处于RS485芯片还是处于发送状态,此时的接收数据将会被忽略,在系统层面就是体现为数据接收丢包。

图1 RS485 接口电路
有些读者会可能回想,只要从机回复数据晚一些,不要这么快速回复,就不存在这个问题了。但是从机一般都是客户的机器,我们几乎不可能要求别人更改回复时间。例如三菱的Fx3U PLC作为从机时,从主机发送数据结束到从机回复数据,只用了60uS,部分控制板,甚至回复时间在10uS以内。
研究RS485的方向切换的目标就是:RS485总线空闲时要处于接收状态,如果有主机发送数据,则置高方向引脚,发送完成及时切换到接收状态。

图2 方向脚切换时间过长的情形
一、RS485方向切换的方案1:使用反相器自动切换
大部分的低成本RS232-RS485转换器采用了这种方法。具体的实现方法是:把串口的发送信号TX作为反相器的输入,反相器的输出则用来控制RS485收发器的收发控制引脚,同时在RS485收发器的A/B输出端加上上拉/下拉电阻,具体电路如图3所示。


图3 使用反相器自动切换电路
在空闲状态下,串口的发送信号TXD为高电平,经过反相器后输出低电平,使485芯片处于接收状态,而RS485总线由于上下拉电阻的作用处于A高B低的状态。当发送数据时,TXD信号线上的低电平比特位控制485芯片进入发送状态,将该比特发送出去。而高电平比特位则使485芯片处于接收状态,由于RS485总线上下拉电阻把总线置于A高B低的状态,即表示发送了高电平。
简单说,这种电路,就是发送低电平时,485芯片是 发送状态,而发送高电平时,485芯片属于接收状态。
优势:
只需要增加一个反相器就可以实现,无需软件的干预,反相器可以使用一个三极管即可以实现,成本十分低廉(几分钱);
劣势:
由于上下拉电阻不可能选值太小,否则会影响正常发送的数据电平。所以这种换向模式在发送高电平时的驱动能力,并且,理论上我要求方向引脚要比数据先切换方向,但是由于方向引脚经过了反相器,达到芯片的时间变长了,比数据晚到,所以速率太高的情况容易丢包。如果需要驱动多个从设备,就会显得力不从心,并且驱动能力太弱,只能短距离传输;并且传输速度不能太快,一般使用9600bps。
二、RS485方向切换的方案2:使用软件控制方向
市面上大部分的内置RS485的产品基本都是采用此类的方案,如下图4中的RS_EN引脚。具体的 实现方式是:在空闲器件,RS_EN 为低电平,MCU处于接收状态,在准备发送数据之前,MCU会拉高RS_EN,U1处于发送状态,发送完毕之后,RS_EN重新处于低电平,U1处于接收状态。

图4 使用软件控制方向切换
此类方案的关键是软件需要掌握好RS_EN引脚的高低电平的时机,假设发送完数据后,没有及时切换到接收状态,而此时从机又回复数据,此时就会引起丢包,就会出现文章开头图2中的情形。不幸的时,软件工程师的水平参差不齐,特别是在运行操作系统(Linux、WIndows等)以后,想要十分准确控制方向引脚的高低电平已经十分困难。
优势:
无需增加任何的硬件成本,且RS485的驱动能力不受影响。
劣势:
依赖于软件控制方向引脚,如果运行复杂的操作系统,控制引脚的优先级不够高,或者软件的优化的不够好,都会导致方向引脚的切换不及时,到时数据的丢包。并且,是否丢包还取决于从机的回复时间,测试过程不一定能够测试出来。
三、RS485方向切换的方案3:使用触发器控制方向
为了克服反相器换向的缺点,出现了一种由RS触发器控制的自动换向技术,如图5所示。这个电路的关键是反相器和RS触发器之间的由二极管、电阻、电容组成的充放电电路。在空闲状态下,485芯片仍处于接收状态。当TXD信号线上发送数据的低电平起始位时,反相器输出高电平,通过二极管为电容迅速充电,使RS触发器R端为高电平,S端为低电平,触发器输出高电平,把ISL3152E置于发送状态;当TXD信号线转换为高电平时,反相器输出低电平,电容通过电阻缓慢放电,使得R端暂时仍处于高电平状态,加上S端的高电平状态,使触发器的输出保持前面的高电平状态,485芯片仍处于发送状态。电容经过一段时间放电后,R端电压转变为低电平,则触发器输出低电平,把485芯片置回接收状态。通过选择电阻和电容值,我们可以控制放电速度,使得一个低电平的起始位足以在整个字节发送。此类方案参数一致性非常差,实际使用的都是技高人胆大的。

图5 使用触发器切换方向
优势:
无需软件干预切换方向,驱动能力强(取决于RS485芯片)。
劣势:
1.增加的器件较多;
2.不同的波特率需要匹配不同的RC参数
3.温度、老化、一致性等问题,会导致RC参数变化,从而导致切换时间错乱导致丢包。
四、RS485方向切换的方案4:max13487芯片
为了克服软件参与的方向控制不确定性,美信公司发布了宣称首款支持芯片自动换向的RS485芯片,如下图6,对比其他的RS485芯片,MAX16487的/RE引脚有两个用于:
(1)/RE为低电平时,打开RO方向的接收数据。
(2)/RE为高电平时,芯片进入自动方向切换模式。
一般使用我们将/RE连接高电平,即自动换向模式。

图6 MAX13487 内部框图
由于美信没有公布内部的逻辑原理,只描述内部有一个状态机,我们只能外部猜测其工作原理:
1.空闲模式下,数据流方向为RO方向;此为状态1;
2.当串口端有数据发送时,由于起始位为低电平,经过逻辑功能D后,A<B,经过COM3.逻辑功能且反相后,RI为高电平。此状态为数据发送状态2。
4.经过一系列的逻辑运算(以RI、DI为输入,但是不知道其内部的原理);状态机检测到数据发送完毕,芯片变成接收状态1。
优势:
由芯片自动切换方向,无需软件干预切换方向,驱动能力强,通信速率高,MAX13488 宣称最高可以到16Mbps,与普通的RS485芯片性能一样。
劣势:
价格比普通的RS485芯片贵一倍以上。
五、RS485方向切换的方案5:周立功芯片RSM(3)485PHT
周立功公司将RS485的三个相关的功能模块:DC电源、隔离、RS485芯片三合一,封装在同一个芯片内部,由于没有内部的资料,我们无法获知其内部的逻辑功能。官方资料宣称最高速率可以达到500Kbps,对于一般的应用足以。
优势:
由芯片自动切换方向,无需软件干预切换方向,驱动能力强,通信速率高,DC电源、隔离、RS485芯片功能三合一,节省板卡空间。
劣势:
价格比分立器件搭建RS485电路贵,且一旦损害需要要整体更换。


图7 RSM(3)485PHT原理图
六、总结
上述我们提供了5种RS485自动切换方向的方法:分别是反相器法、软件控制法、触发器法、美信MAX13488芯片、周立功RSM(3)485PHT。
反相器法由于驱动能力太弱、速率太低,仅适用于要求不高的调试场合,工控场合慎选。
软件控制法对软件的要求较高,特别是带操作系统的芯片,软件控制的时机较困难。
触发器法由于参数一致性太差,只适合波特率恒定、速率不高的场合;
美信以及周立功提供的方案已经芯片化,经过了大量的市场验证,且有大公司做背书,可靠性、温度性都有很大的保障,优先推荐。

最新评论

楼层直达:

curton

  • 370 主题
  • 1897 帖子
  • 12958 积分
  • 身份:版主
  • 论坛新秀 灌水之王 优秀版主
  • E币:1716
我要评论
1
8
广告
关闭 热点推荐上一条 /4 下一条
快速回复 返回列表